空气调节用与制冷技术课程

空气调节用与制冷技术课程内容摘要：

压焓图。 2. 蒸汽压缩式制冷循环在 lgph 图上的表示 11 上图为蒸汽压缩式制冷理论循环在 lgp 图的表示。 点 1：制冷剂蒸汽进入压缩机状态。 若已知蒸发温度 T0，便可知蒸发压力 p0，据等压线p0 与 x=1 的等干度线相交得出点 1； 点 2：为制冷剂出压缩机的状态，即进入冷凝器状态，过程 12 为绝热压缩， s1=s2，沿点 1 的等熵线与 pk=C 的等压线交点即得； 点 3`：制冷剂在冷凝器中凝结为饱和液体的状态点，它由 pk=C 等压线与 x=0 下界线相交可得； 点 3：制冷剂液体过冷状态。 液体在过冷中压力不变，低于冷凝温度，将 pk=C 与 trc=C过冷温度相交得点 3； 点 4：制冷剂出节流阀状态，即进入蒸发器状态，节流前后 h 不变，而压力降到 p0，温度为蒸发温度 T0，由点 3 作 h=C 等炝线与 t0＝ C 等温线相交得点 4。 4—1 是制冷剂在蒸发器中气化吸热，即制冷 过程。 总之： 1） 1—2：绝热压缩过程，单位质量制冷剂消耗功 wc=h2h1 kJ/kg； 2） 2—3：制冷剂在冷凝器中定压放热过程，其中 2—2`放出过热量， 2`—3`放出汽化潜热， 3`—3 再冷却放热。 制冷剂放热量： qk=h2h3 kJ/kg。 3） 3—4：节流过程， h 不变； 4） 4—1：制冷剂在蒸发器在定压吸热（制冷）过程。 制冷量： q0=h1h4 kJ/kg。 二、蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算 计算蒸汽压缩制冷理论循环时，首先需要确定循环的工作参数（即工况，通常为蒸发温度 t0、冷凝温度 tk、液态 制冷剂再冷度和压缩机的吸气温度 t1），根据工况便能在 lgph 图上确定各有关状态点的参数值，进而画出循环过程。 蒸发温度和冷凝温度的确定将在第四章中讲述，再冷度一般为 3～ 5℃，氨压缩机吸气的过热度一般为 5～ 8℃，氟利昂压缩机采用回热时，吸气温度约为 15℃。 制冷循环的 热力计算 就是根据这些已知条件，求出各状态点的状态参数，然后计算下列数值： 1．单位质量制冷能力 ： q0=h1h4 单位容积制冷能力：14110 v hhvqqv  12 v1—— 压缩机入口气态制冷剂的比容， m3/kg qv—— 表 示吸入 1m3 制冷剂所产生的冷量 2. 制冷剂质量流量 MR和体积流量 VR 00qMR  kg/s vRR qvMV01  m3/s φ 0—— 制冷量， kJ/s 或 kW 3. 冷凝器的热负荷 φ k＝ MR(h2h3)] 4. 压缩机理论耗功率 Pth Pth=MR(h2h1) 5. 理论制冷系数 εth： εth＝ q0/wc=Φ 0/Pth=(h1h4)/(h2h1) 蒸汽压缩制冷的实际循环 一、实际循环与理论循环 的主要差别 前面所述的是蒸汽压缩式制冷的理论循环，但实际循环和理论循环又有不少差别，表现在理论循环忽略了： 1. 在压缩过程中： ①气体内部及气体与气缸壁之间的摩擦；②气体与外部的热交换。 2. 制冷剂进入吸气阀和排出时经排气阀有节流损失； 3. 制冷剂通过管道、冷凝器、蒸发器等设备时，制冷剂与管壁、器壁之间摩擦以及外部热交换。 二、实际循环 图中过程线 12341 所组成的循环是蒸发压力为 p0，冷凝压力为 pk 时，蒸汽压缩制冷的理论循环。 如果蒸发器入口制冷剂的压力仍为 p0，冷凝器出口制冷剂的状态仍为 点 3，考虑了上述三方面的影响后，采用活塞式压缩机时，蒸汽压缩式制冷的实际循环应为：1`1``abc`cd2`34`1`。 （ 1）过程线 1`1``：低温低压气态制冷剂由蒸发器经管道流至压缩机进气阀过程中，由 13 于沿途摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的热量，所以制冷剂的压力稍有降低，温度有所升高； （ 2） 1``a：制冷剂蒸汽经进气阀时节流， h 不变，压力降至 p1； （ 3） ab：低温气态制冷剂进入气缸后至被压缩前（即压缩机的吸气过程），由于气缸壁（包括进气阀）温度较高，制冷剂吸收气缸壁 的热量，故温度有所上升，而压力仍为 p1； （ 4） bc`：制冷剂在压缩机中的实际压缩过程线。 开始被压缩时，由于制冷剂内部和制冷剂与气缸壁之间有摩擦，以及制冷剂的温度低于气缸壁的温度，所以，制冷剂处于吸热压缩过程，比熵有所增加。 当制冷剂被压缩至高于气缸壁的温度时，制冷剂将向气缸壁散热，变为放热压缩过程，比熵有所减小，直到压力升至 p2。 对于氨压缩机，由于气缸头部被冷却水冷却，排气过程中高压气体被进一步冷却，制冷剂的比熵会减少得更多一些，如图中 c`c； （ 5）过程线 cd：制冷剂从压缩机气缸排出时，经过排气阀被 节流，其比焓基本不变，但压力有所降低； （ 6） d2`：高压气态制冷剂从压缩机气缸排出后，经管道至冷凝器，由于沿程存在摩擦阻力和局部阻力，以及对外散热，制冷剂的压力和温度均有所降低； （ 7） 2`3：气态制冷剂在冷凝器中被冷凝成液态。 由于制冷剂流经冷凝器的途中有摩擦和涡流，所以冷凝过程并不是定压过程，根据冷凝器形式的不同，其压力有不同程度的降低。 （ 8） 34`：液态制冷剂通过膨胀阀减压、降温后，经管道进入蒸发器。 由于减压后温度大幅度降低，尽管该段管道有保温，制冷剂还会从外部吸收一些热量，所以，制冷剂的比焓稍有增加； （ 9） 4`1`：制冷剂经过蒸发器吸热变成气态，此时也与冷凝器相似，由于流动途中存在摩擦和涡流，蒸发过程也不是定压过程，随蒸发器形式的不同，压力有不同程度的降低。 综上所述，由于存在摩擦、涡流等阻力，以及与外界有热量交换，蒸汽压缩式制冷的实际循环与理论循环相比，实际能够获得的制冷量稍有减少，实际所消耗的功率有所增加，因此，实际循环的制冷系数将小于理论循环的制冷系数。 由于蒸汽压缩式制冷循环比较复杂，难于细致计算，所以一般均以理论循环作为计算基准。 但是在选择压缩机及其配用的电动机，确定制冷剂管道直 径，计算蒸发器和冷凝器的传热面积以及进行机房设计时，都应该考虑这些影响因素。 至于如何考虑，将在以后介绍。 思考题： 1．什么循环是理想的制冷循环。 它具备什么样的条件。 2．逆卡诺循环的制冷系数公式。 从公式中说明什么问题。 3．为什么说制冷系数不是衡量制冷装置经济性的唯一指标。 4．怎样实现逆卡诺循环。 5．蒸汽压缩式制冷循环有哪四个主要热力过程。 有哪四个必不可少的设备。 6．试比较有温差制冷循环与理想循环的制冷系数。 7．蒸汽压缩式制冷理论循环与理想循环有何不同。 8．蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用节流 阀代替膨胀机，对制冷系数有何影响。 9．蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用干压缩代替湿压缩。 对制冷系数有何影响。 10．改善蒸汽压缩式制冷循环有哪些措施。 11．节流阀前液体过冷有何意义。 12．多级压缩中间冷却意义。 13．实际压缩与理论压缩的区别。 14 2 制冷剂和载冷剂 制冷剂是在制冷系统中完成制冷循环的工作物质。 制冷剂在蒸发器内吸取被冷却物体或空间的热量而蒸发，在冷凝器内将热量传递给周围介质而被冷凝成液体。 制冷系统借助于制冷剂的状态的变化，达到制冷的目的。 载冷剂又叫冷媒，是在间接供冷系统中 用以传递制冷量的中间介质。 载冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却后，送到冷却设备中，吸收被冷却物体或空间的热量，再返回蒸发器重新被冷却，如此循环不止，以达到传递制冷量的目的。 本章主要介绍制冷剂必备的特性以及常用制冷剂和载冷剂的主要性质。 制冷剂 一、制冷剂的种类和编号 目前使用的制冷剂有很多种，归纳起来主要有四类：无机化合物、烃类、卤代烃以及混合溶液。 为了书写方便，我国国家标准 GB777887 规定了各种通用制冷剂的代号，以代替使用其化学名称、分子式或商品名称。 标准中规定用字母 R 和它后面的一级数字或字母作 为制冷剂的代号。 字母 R 表示制冷剂（ Refrigerant），后面的数字或字母则根据制冷剂的种类及分子组成，按一定的规则编写。 （一）无机化合物 有 NH CO H2O 等。 对于这类制冷剂，其代号“ R”后的第一位数字为 7， 7 后面的数字为该物质分子量的整数部分。 如 NH3的分子量为 17，它的代号为 R717； CO H2O 分别为 R744 和 R718。 名称 分子量 代号 标准蒸发温度 凝固温度 临界温度 绝热指数 k H2O 18 NH3 17 CO2 44 （二）卤代烃（氟里昂 Freon） 氟里昂是饱和碳氢化合物的 F、 Cl、 Br 的衍生物的总称。 目前用作制冷剂的主要是甲烷和乙烷的衍生物。 饱和碳氢化合物的分子通式为： CmH2m+2，氟里昂的分子通式为 CmHnFxClyBrz，其原子数 m、 n、 x、 y、 z 之间的关系为： 2m+2=n+x+y+z 氟里昂的代号为 RabcBd， B 代表化合物中的 Br 原子； a、 b、 c、 d 为整数，分别为： a 等于碳原子数减 1，即 a=m1，当 a=0 时，编号中省略； b 等于氢原子数加 1，即 b=n+1； c 等于氟原子数，即 c=x； d 等于 Br 原子数，即 d=z，当 d=0 时，编号中 Bd 都省略。 Cl 原子数在编号中不表示，它可根据上式推算出来。 习惯上， R1 R22„„又称为氟里昂 1氟里昂 22„„，也有写成 F1 F22„„。 “氟里昂”是国外一个生产厂商的商业名称（商标）。 其他厂商就冠以其他名称，如“阿克敦”（ Arcton）、“琴纳特朗”（ Geron）等。 由于乙烷的卤化物有同分异构体，如 CHF2CHF2 和 CH2FCF3 都是四氟乙烷，分子量相 15 同，但结构不同，它们的编号根据碳原子团的原子量不对称性进行区分。 前者两个碳原子团的原子量对称，则用 R134 表示；后 者不对称较大，则用 R134a 表示。 化合物名称 分子式 m、 n、 x、 z 值 a、 b、 c、 d 值 编号 一氟三氯甲烷 CFCl3 1 0 1 0 0 1 1 0 R11 二氟二氯甲烷 CF2Cl2 R12 五氟一氯乙烷 C2F5Cl R115 三氟一溴甲烷 R13B1 甲烷 1 4 0 0 0 5 0 0 R50 乙烷 2 6 0 0 1 7 0 0 R170 丙烷 3 8 0 0 2 9 0 0 R290 乙烯 2 4 0 0 1 5 0 0 R1150 丙烯 C3H6 R1270 （三）多元混合溶液 由两种或两种以上的制冷剂按一定比例相互溶解而成的溶合物，以扩大温度使用范围，改善耗能指标。 分为共沸混合溶液与非共沸混合溶液。 共沸溶液：性质与单质溶液一样，在恒定的压力下蒸发或冷凝时，蒸发温度或冷凝温度保持不变，而且其气相和液相具有相同的组分。 共沸溶液制冷剂代号 R 后的第一个数字为 5，后面的数字按使用时间的先后顺序编号。 最早的为 R500，后面的依次为 R50 R502 等。 代号 组分 质量成分％ 标准 t0 R500 R12/R152 R501 R22/R12 75/25 R502 R22/R115 R503 R23/R13 R504 R32/R115 R505 R12/R31 78/22 32 R506 R31/R114 非共沸溶液在恒定的压力下蒸发或冷凝时，其蒸发温度或冷凝温度以及气相和液相的组分均不能保持恒定。 由于非共沸溶液在组分不同、混合比不同时，会显示出不同的热力学性质，可满 足各种制冷要求。 与单一制冷剂相比，可使平均传热温差减小，即可使传热过程中因传热温差引。